Диссертация (Управление асинхронными тяговыми электродвигателями тележки локомотива в предельных по сцеплению режимах движения)

Брянский государственный технический университетНа правах рукописиТарасов Алексей НиколаевичУправление асинхронными тяговыми электродвигателями тележкилокомотива в предельных по сцеплению режимах движенияСпециальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,доцент Федяева Г.А.Брянск 2017СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4РАЗДЕЛ 1.АНАЛИЗАЛГОРИТМОВУПРАВЛЕНИЯТЭП ЛОКОМОТИВОВ В РЕЖИМЕРЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ УСИЛИЙ ..........................................................................................................

101.1. Алгоритмы защиты от буксования и юза ............................................................................................... 111.2. Алгоритмы реализации потенциального коэффициента сцепления................................................... 311.3. Классификация алгоритмов управления ТЭП в режиме реализации предельных усилий ипостановка задачи .......................................................................................................................................... 39РАЗДЕЛ 2.СПОСОБУПРАВЛННИЯИ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЭП ССОВМЕСТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ АД ........................................................................................................ 422.1.

Способ и алгоритмы управления ТЭП гибридного тепловоза в режиме реализации предельныхусилий .............................................................................................................................................................. 442.2. Математическое и компьютерное моделирование СУ ТЭП с совместным регулированием АТД........ 552.3. Выводы по разделу 2 ................................................................................................................................

73РАЗДЕЛ 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ТЭПГИБРИДНОГО ТЕПЛОВОЗА ............................................................................................................................ 743.1. Упрощённое моделирование механической подсистемы ТЭП .............................................................. 743.2. Моделированиемеханическойчасти гибридного тепловозаТЭМ9H с высокой степеньюдетализации .................................................................................................................................................... 823.3. Выводы по разделу 3 ................................................................................................................................

93РАЗДЕЛ4.КОМПЛЕКСНЫЕЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕМОДЕЛИТЭПССОВМЕСТНЫМРЕГУЛИРОВАНИЕМ АТД И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ УСИЛИЙ ............ 944.1. Создание комплексных моделей ТЭП с совместным регулированием АТД.......................................... 944.2. Предварительный анализ реализации предельных усилий на упрощенных моделях ТЭП ................. 994.3. Исследование динамических процессов в ТЭП с совместным разрывным управлениемАТД при разгоне и торможении на пределе по сцеплению ..................................................................

10424.4. Выводы по разделу 4 .............................................................................................................................. 117ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................................................ 119СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................................

121ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................... 1353ВВЕДЕНИЕВ целях обновления отечественного локомотивного парка правительством Российской Федерации намечены перспективы развития транспорта до2030 года, принята Стратегия развития железнодорожного транспорта. Организация проектирования и выпуска в России локомотивов нового поколенияс асинхронным тяговым приводом предусмотрена в рамках данной стратегии. Современные тепловозы и электровозы, оснащенные мощными асинхронными тяговыми двигателями (АТД), имеющими высокий номинальныйэлектромагнитный момент, могут перевозить тяжеловесные составы и достигать в процессе работы предельных по сцеплению тяговых или тормозныхусилий даже в хороших условиях сцепления.

При этом скорость проскальзывания колес в контакте колесо-рельс увеличивается выше некоторого критического значения, и рабочая точка тягового электропривода (ТЭП) переходитв зону буксования (или юза), что может без применения специальных системи алгоритмов управления ТЭП сопровождаться ухудшением тормозных и тяговых свойств, увеличением динамическими нагрузок и износа.Изучением ТЭП с асинхронными двигателями (АД) как единой управляемой электромеханической системы занимались отечественные и зарубежные ученые: В.И.

Андерс, Х.П. Бауэр, А.Т. Бурков, М. Бушер, Ю.И. Гусевский,А.А. Зарифьян,В.Л.Кодкин,П.Г. Колпахчьян,Х.П. Котц,А.С. Курбасов, В.А. Кучумов, В.В. Литовченко, П.Ю., Петров, Е.М. Плохов,В.А. Пречисский, Г.А. Федяева, М. Флейшер, В.А. Шаров, Х.Ю. Шварц,В. Энгель и другие ученые.Однако электропривод с совместным регулированием АТД в пределахтележки, параллельно подключенных к одному инвертору, пока исследованнедостаточно и требует дальнейшей проработки.Актуальность темы. В современном тяговом электроприводе отече4ственных и зарубежных локомотивов широко внедряются двигатели переменного тока взамен традиционных коллекторных двигателей последовательного возбуждения.

На мощных локомотивах с высоким использованиемсил сцепления наибольшее распространение получил ТЭП с АТД, - это электровозы 2ЭС10, ЭП20, тепловозы 2ТЭ25А, опытный электровоз 2ЭВ120.Наибольшее использование сил сцепления, а, следовательно, и реализацию больших силы тяги и торможения удаётся достичь при отдельном регулировании каждого двигателя (поосном регулировании). Однако с учётомэкономических факторов и удобства размещения в ряде случае используютпараллельное подсоединение двигателей тележки к общему инвертору (совместное регулирование).

Тяговый электропривод с асинхронными двигателями ввиду ряда известных особенностей довольно сложен в управлении и виндивидуальном исполнении, а параллельное подключение двигателей дополнительно усложняет задачу.Динамические и тяговые качества локомотивов с АТД определяющимобразом зависят от системы управления электроприводом. В то же время, извышеперечисленных локомотивов только на тепловозе 2ТЭ25А примененыотечественные алгоритмы регулирования ТЭП. Данные алгоритмы разработаныВсероссийскимнаучно-исследовательскимиконструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ).

На российскиеэлектровозы интегрированы алгоритмы зарубежных фирм: Siemens, Alstom,Bombardier Transportation, являющиеся интеллектуальной собственностьюэтих фирм.В современных условиях весьма актуально, наряду с внедрением импортных систем управления (СУ), создавать и совершенствовать с учетоммировых достижений собственные алгоритмы управления ТЭП, используядля их отработки, как уже имеющиеся образцы локомотивов, так и новыекомпьютерные технологии.Для этих целей хорошо подходит четырехосный гибридный маневрово5вывозной тепловоз ТЭМ9H с совместным регулированием АТД, разработанный в рамках пилотного проекта Людиновским тепловозостроительным заводом.

На данном тепловозе применен комплекс технических решений в системе электропитания, снимающих ряд ограничений по управлению ТЭП посравнению с обычным электроприводом тепловоза. Использование в системеэлектропитания аккумуляторной батареи с огромным энергозапасом (300кВт*часов) и суперконденсаторов дает возможность отойти от традиционного для тепловозов ступенчатого (позиционного) изменения мощности дизеляна тягу и отрабатывать алгоритмы регулирования ТЭП с АД, применимыекак для тепловозов, так и для электровозов нового поколения.Цель диссертационной работы − повышение предельных по сцеплению усилий, реализуемых электроприводом локомотивов при совместномуправлении асинхронными тяговыми двигателями тележки.Задачи исследования:1. Анализ алгоритмов управления ТЭП в режиме реализации предельных по сцеплению усилий и обоснование применения в тяговом электроприводе систем разрывного управления АТД.2.

Разработка функциональной схемы СУ, способа и алгоритмов управления ТЭП с совместным регулированием АД тележки на пределе сцепления.3. Разработка математической и компьютерной модели СУ ТЭП с совместным управлением параллельно включённых АД на пределе сцепления.4. Разработка для механической подсистемы ТЭП гибридного маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ9H математических и компьютерных моделей ианализ на их основе динамических процессов в ТЭП.5.